光学微细结构光学器件和其应用

《光学微细结构光学器件和其应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、微细结构光学器件及其应用文：何凤英也许光自人类诞生以来，就一直让我们的生活充满光彩。即使人类的科技如何发达，我们依然无法离开光的世界。人类通过光来观察世界，万物从阳光中获取能量，光的作用在我们的生活中显得既普遍又基本。光正以崭新的姿态影响着我们的生活，这种影响在几十年前是无法想象的。光正渐渐成为一切技术的核心。人们对光的各种利用探索不断应用在生活方方面面，小到人们日常生活方面的照明领域、电子显示、包装印刷，到模拟仿真、太阳能利用到国防科技等，随着生活水平的提高,光的利用仍然呈现巨大潜力。微细结构光学器

2、件是博大而精深的光学领域中极为微小的部分。微细结构光学器件在光学领域犹如沧海一粟,就如这些微细结构光学器件所具有的光学结构尺寸一样微小，其微细程度若以长度单位来表示，通常是微米甚至纳米。如果说毫米(mm)我们还能以肉眼可见的话，而微米是毫米的千分之一，基本上人的肉眼不易看出。微细结构光学器件是指表面具有微细透镜结构，对光进行调整利用的光学器件；其包含以下三个方面的含义：1）光学器件，其本身无法单独发挥作用，须配合光的一定条件才能使用；2）对光进行调整利用，是指其本身并不产生光能，只是对现有光能的调整和

3、利用；3）其发挥作用的本质其表面有一个或多个光学透镜，这些透镜尺寸很微小，在微米级以下，面形精度可达亚微米级，表面粗糙度可达纳米级。下面我们就介绍一些带有微细透镜结构的光学器件以及应用。比较常见光学透镜有凸透镜、棱镜、柱面镜等。我们生活中最简单最熟悉的透镜就是凸透镜，凸透镜是中央较厚，边缘较薄，类似一个球体表面，凸透镜有会聚作用故又称聚光透镜，较厚的凸透镜则有望远、会聚等作用，这与透镜的厚度有关。19世纪末，法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔（Augustin.Fresnel)从凸透镜基础上发明了菲涅尔透镜

4、(FresnelLense)。其工作原理是透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平面上。如下图：菲涅耳透镜即是以其名字命名。菲涅耳透镜作用和凸透镜一样，但外观上做了些改变，其正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心园组成。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度是变化的，菲涅耳透镜和凸透镜一样具有望远和会聚光线的作用。和凸透镜相比，菲涅耳透镜外观是平面

5、的，厚度一般1-4cm，可以采用塑料成型，比较轻薄。而凸透镜因其球体表面，通常采用玻璃材料，比较厚重，适合较小尺寸。左图示：(侧面轮廓)连续表面非球面透镜坍塌成相等的能量菲涅尔透镜。凸透镜的应用最广泛的就是放大镜，这是一种能量透镜（非成像类）。而我们照相机和显微镜上最重要的一种光学透镜则是属于透镜中精度较高的一种——成像透镜，其表面常常会设计成非球面，非球面透镜更加成像性能。棱镜是由透明材料制成的多面体，是重要的光学元件。光线入射出射的平面叫侧面，与侧面垂直的平面叫主截面．根据主截面的形状可分成三棱镜

6、、直角棱镜、五角棱镜等。所有棱镜的折射面和反射面统称工作面，两工作面的交线称为棱，垂直棱的截面称为主截面。棱镜在光学中起着许多各不相同的作用，棱镜的组合可以用作分束器、起偏器等，或使像的方向、光束传播方向发生改变的功能。柱状透镜（LenticularLens)则是透镜表面为圆柱纵截面状一种透镜（LenticularLens)。很多透镜组合在一起就形成了微透镜阵列，它不仅具有传统透镜的聚焦、成像等基本功能，而且具有单元尺寸小、集成度高的特点，使得它能够完成单个传统光学元件无法完成的功能，并能构成许多新型

7、的光学系统。微透镜阵列的通光孔径及深度为微米级。复眼透镜是由一系列小透镜组合形成，是一种典型的微透镜阵列，复眼（Compoundeye）由多数小眼组成。复眼中的小眼面一般呈六角形。小眼面的数目、大小和形状在各种昆虫中变异很大，雄性介壳虫的复眼仅由数个圆形小眼组成。家蝇的复眼由4000个小眼组成，蝶、蛾类的复眼有28000个小眼。复眼透镜在微显示器及投影显示领域有广阔的应用前景。微透镜类型结构示意图菲涅耳透镜FresnelLens柱状透镜LenticularLens棱镜结构Prism反射结构Retrof

8、lective（CubicCorner）微透镜阵列MicroLensArray介绍完一些典型的微细光学结构透镜后，我们再来说说微细结构光学器件，也就是以上这些透镜结构一些具体应用实例。典型产品结构特点应用领域液晶显示增亮膜棱镜结构液晶显示微透镜阵列光学投影屏幕柱状透镜结构和菲涅耳透镜结构组投影显示合3D印刷光栅柱状透镜印刷包装3D显示膜柱状透镜光学显示太阳能用聚光膜/片菲涅耳透镜太阳能利用反光膜三棱锥结构交通标识照明用扩散膜微透镜阵列光电照明（一）光学型